海底地形的三維可視化建模研究

江玉玲，彭國均

(集美大學(xué) a.誠毅學(xué)院;b.航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

近年來，隨著GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了陸上地形的三維可視化，并廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、航空航海模擬器、海域規(guī)劃等領(lǐng)域。但由于早期技術(shù)水平的限制，對(duì)海底地形的研究只停留在粗略漫游階段，對(duì)海底地形細(xì)節(jié)層次化建模效果不盡如人意。現(xiàn)在航道港口建設(shè)、海底工程建設(shè)、海洋資源規(guī)劃以及海底作戰(zhàn)等都需要人們對(duì)海底地形有詳細(xì)的了解，因而建立可精準(zhǔn)測量海底水深和能體現(xiàn)細(xì)節(jié)層次的海底地形三維模型成為當(dāng)今海底地形研究的熱點(diǎn)。

本文在航海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)陸上、海島、海岸、港口可視化建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)海底地形進(jìn)行研究，從海底地形數(shù)據(jù)獲取、處理，TIN地形算法，OpenFlight數(shù)據(jù)格式海底地形模型的建立，分層設(shè)色紋理制作等方面進(jìn)行技術(shù)探討［1－15］。以廈門港某海域?yàn)槔⒘梭w現(xiàn)細(xì)節(jié)層次的海底地形OpenFlightt數(shù)據(jù)模型，以期對(duì)后續(xù)的海底地形可視化和海底漫游打下基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)獲取和處理

1.1 海底地形數(shù)據(jù)獲取

構(gòu)建仿真度高的海底地形模型的首要條件是需要有真實(shí)的高精確度的海底地形數(shù)據(jù)。一般海底地形數(shù)據(jù)是指海底水深數(shù)據(jù)。目前測量海底水深數(shù)據(jù)的主要方法有:①利用回聲測深技術(shù)測量水深，這種方法測量效率低、精度低，目前較少使用;②機(jī)載激光測深技術(shù)，一般測量水深小于50 m范圍的區(qū)域，測量精度高，成本低;③ 星載測深技術(shù)，適用于深水海區(qū)測量，精度高，但成本也高;④電子海圖數(shù)據(jù)化，數(shù)據(jù)獲取方便、成本低，但提取出的數(shù)據(jù)分布散亂、間距大，需要合適的插值算法進(jìn)行插值，精度受制于原始海圖的精度;⑤ 多波速測深技術(shù)，能夠高效率、高精度地測量水深，并且分辨率高，利用其采集的水深數(shù)據(jù)繪制的海底地形高程圖能夠反映水下地形的細(xì)部特征，近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河流、海域、港口的測量，但其獲取的數(shù)據(jù)保密性高［1］。本文以廈門某海域?yàn)槔顢?shù)據(jù)來源于海洋部門的多波速測深系統(tǒng)海底地形數(shù)據(jù)。測量所獲得的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過坐標(biāo)變換及投影轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格化插值、數(shù)字化成圖等步驟最終才能被利用。

1.2 海底地形數(shù)據(jù)處理

本文從海洋部門獲取的是CAD格式數(shù)據(jù)，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。首先從CAD文件中提取水下地形特征的的三維坐標(biāo)X、Y、Z，其中:X表示水深點(diǎn)緯度;Y表示精度;Z表示高程值，若用負(fù)值表示，值越小，表示的水深越深。提取的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)保存為后綴名為txt的文本文件。由于在獲取數(shù)據(jù)時(shí)測量不同位置的深度基準(zhǔn)面可能會(huì)不同，所以需要進(jìn)行深度基準(zhǔn)面的統(tǒng)一。本文統(tǒng)一采用92廈門坐標(biāo)系，水深基準(zhǔn)采用理論最低潮面，高層基面采用1985年國家高層基面。同時(shí)，海底地形復(fù)雜，測量困難，測量出的水深點(diǎn)可能有噪點(diǎn)，因而需對(duì)其進(jìn)行去噪預(yù)處理。具體方法是:劃出一個(gè)區(qū)域，選定一特定點(diǎn)O，將區(qū)域內(nèi)的采樣水深點(diǎn)與O點(diǎn)的Z值相比較，當(dāng)兩點(diǎn)Z值差超過一個(gè)已設(shè)定好的定值時(shí)認(rèn)為其為噪聲點(diǎn)，并將其剔除。

2 創(chuàng)建TIN模型

當(dāng)前，地形數(shù)字高程模型主要采用規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid DEM)、等高線模型(Contour DEM)和不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN DEM)等3種方法表示［2］。其中，不規(guī)則三角網(wǎng)用一系列互不交叉的連續(xù)的三角網(wǎng)來描述地形表面。它能按地形特征如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)據(jù)高程特征，同時(shí)TIN能以不同層次的分辨率描述地形表面，有效減少了數(shù)據(jù)冗余，目前已成為一種主流建模方式［3］。海底地形類似陸地地形起伏不定，因而海底地形模型的構(gòu)造方式也可以參照陸上地形的方法。本文選用TIN構(gòu)造海底地形數(shù)字高程模型。

在所有TIN三角網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)方法中，狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)的最小角最大，而且經(jīng)過局部最優(yōu)化法則(LOP)優(yōu)化后，它的三角形總是自動(dòng)逼近等邊三角形，同時(shí)能保證三角形的唯一性和邊長之和最小［4］，在模擬地形方面最真實(shí)，因此常被用于生成TIN模型。根據(jù)三角網(wǎng)生成步驟的不同，主要有分治算法、逐點(diǎn)插入法、三角網(wǎng)生長法等算法［5］。

逐點(diǎn)插入法在1977年由Lawson提出，后來經(jīng)過一系列的改進(jìn)，由Bowyer、Watson提出了從點(diǎn)到影響域到三角形重連的方法，具體步驟如下:①定義一個(gè)凸包，將其屬性設(shè)為包含所有數(shù)據(jù)點(diǎn);②在凸包范圍內(nèi)中建立一個(gè)原始Delaunay三角網(wǎng);③插入一個(gè)新數(shù)據(jù)點(diǎn)P;④ 找到P的影響區(qū)域形成空洞，再將P與空洞內(nèi)的三角形頂點(diǎn)相連，利用局部最優(yōu)化法則(LOP)優(yōu)化，形成一系列新的三角形;⑤重復(fù)以上2個(gè)步驟，直至處理完所有點(diǎn)。圖1為逐點(diǎn)插入法的具體過程。

圖1 逐點(diǎn)插入法的具體過程

3 實(shí)現(xiàn)TIN的三維可視化建模

由于在現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，虛擬漫游系統(tǒng)并不能直接識(shí)別TIN模型，因而還需進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，即將TIN模型轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中可識(shí)別的三維地形模型。

目前，TIN實(shí)現(xiàn)三維可視化有幾種方法:一種是直接使用底層圖形庫OpenGL，這種方法自由但編程復(fù)雜，工作量大;另一種是將TIN模型轉(zhuǎn)換為OpenFlight模型。OpenFlight是有邏輯的層次分明的場景數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)模型精確可靠，其數(shù)據(jù)格式已成為虛擬仿真中的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可用商業(yè)建模軟件Multigen Creator創(chuàng)建。本文采用第2種方法，即將TIN格式的地形文件轉(zhuǎn)換為OpenFlight格式模型［14］，從而實(shí)現(xiàn)海底地形的可視化。

實(shí)際海底地形生成是從海底地形數(shù)據(jù)的獲取到生成OpenFlight格式的FLT三維地形模型文件，并經(jīng)過紋理處貼圖處理的過程。在這個(gè)過程中，涉及到數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)優(yōu)化處理等問題。構(gòu)建三維海底地形的基本流程如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將TIN格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OpenFlight格式需要通過 ArcGIS、3DMax、Multigen Creator等軟件進(jìn)行，基本過程如下:通過ArcGIS的3D分析功能ArcScene將本文的TIN文件導(dǎo)出為wrl文件［6］。由于地形一般覆蓋的面積比較大，生成的地形模型數(shù)據(jù)量大，為了提高計(jì)算機(jī)處理速度，需要把地形分塊。在ArcGIS中把文件進(jìn)行分塊處理。wrl文件是純ASCII文件，可用文本編輯器打開和編輯，但它不是三維文件，需要選擇三維建模軟件將其進(jìn)行場景模型輸出。三維建模軟件3DMAX可將wrl文件轉(zhuǎn)換為stl文件。stl文件是一種三維模型文件格式，它由多個(gè)三角形面片的定義組成。每個(gè)三角形面片的定義包括三角形各個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量［13］。最終，在三維建模軟件Multigen Creator中導(dǎo)入stl文件，并將其轉(zhuǎn)換為OpenFlight格式的flt文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本流程見圖3。

圖2 構(gòu)建三維海底地形的基本流程

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本流程

根據(jù)以上流程，構(gòu)建廈門港某海域的海底地形OpenFlight模型，如圖4所示。

圖4 廈門港某海域海底地形OpenFlight模型

3.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化

數(shù)據(jù)優(yōu)化主要是對(duì)轉(zhuǎn)換來的OpenFlight數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，主要包括:

1)刪除冗余面。主要是刪除一些與陸上地形重合的三角形面片。三角面片數(shù)量的多少直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)處理速度，所以對(duì)重復(fù)冗余的面要盡量找出并刪除。

2)調(diào)整數(shù)據(jù)庫層級(jí)結(jié)構(gòu)。由于海底地形包含范圍廣，在建模前一般將數(shù)據(jù)分塊，這有利于后續(xù)仿真系統(tǒng)漫游時(shí)根據(jù)視點(diǎn)的遍歷范圍調(diào)用分塊模型。然而對(duì)于分塊模型就存在模型數(shù)據(jù)庫組織的問題。根據(jù)子節(jié)點(diǎn)和組節(jié)點(diǎn)關(guān)系劃分，可用3種類型組織模型數(shù)據(jù)庫:線型結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)以及邏輯結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同情況采用不同的數(shù)據(jù)組織方式［9－11］。

3)調(diào)整模型的細(xì)節(jié)層次(LOD)。根據(jù)視點(diǎn)遍歷范圍，對(duì)于距離遠(yuǎn)的地形，采用粗糙細(xì)節(jié)層次模型;對(duì)于距離近的地形，采用精細(xì)的模型。

4 海底地形紋理制作與映射

根據(jù)圖4可以看出:海底地形模型中包含大量的三角面片。三角面片的密集度越高，說明在此處的水深采樣點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)越詳細(xì)。在地形三維模型創(chuàng)建后，還需要對(duì)地形進(jìn)行紋理映射，以提高地形的真實(shí)度。目前大部分紋理數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)星圖片、遙感圖片、航拍圖片等［7，15］，但用這些方法獲得海底地形的圖片難度很大，并無實(shí)際意義。為了直觀顯示海底地形，本文提出了根據(jù)海底地形的高低起伏，用分層設(shè)色的方法來制作海底地形的紋理，并進(jìn)行紋理貼圖以表現(xiàn)其地形變化［8］。

在ArcGIS中，根據(jù)海底地形文件的水深高低設(shè)置區(qū)域顏色。水深越深，顏色設(shè)置越藍(lán);水深越淺，顏色設(shè)置越向淺藍(lán)靠近。顏色設(shè)置如圖5所示。最終，在ArcGIS中截取設(shè)置好顏色的地形文件，保存為RGB格式的文件，長寬均為2的N次冪，單位為像素。在紋理貼圖時(shí)，要注意地形模型的位置和紋理圖片位置的對(duì)應(yīng)。最終，貼好分層設(shè)色紋理后的海底地形模型如圖5所示。采用分層色階圖形紋理，能夠讓人們?cè)诤罄m(xù)的海底漫游中對(duì)海底水深有直觀的感覺。圖5中深顏色部分表示水深較深的航道。

圖5 分層設(shè)色海底地形紋理映射

5 結(jié)束語

在現(xiàn)有虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以廈門港某海域?yàn)槔肨IN三角網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)構(gòu)建海底高程地形，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到OpenFlight三維地形模型;采用分層設(shè)色制作海底紋理，最終構(gòu)建了能夠體現(xiàn)細(xì)節(jié)層次的海底地形三維模型。以此方法構(gòu)建的廈門海底三維模型已應(yīng)用于“廈門港三維海域管理信息系統(tǒng)”中，效果良好。但是所構(gòu)建的海底地形包含三角形面片數(shù)量大，加載地形時(shí)間長，在模型的調(diào)度處理上還有待進(jìn)一步的研究。

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